L’attuatore piezoelettrico è una forma di sistema elettromeccanico di microcontrollo. Si basa sull’effetto piezoelettrico con alcuni cristalli tale che, quando viene applicato un campo elettrico al cristallo, crea stress meccanico nel suo reticolo strutturale che può essere tradotto in movimento su scala micrometrica o nanometrica. I tipi di attuatori possono variare da sistemi industriali pesanti alimentati da forza pneumatica o idraulica fino a piccoli attuatori piezoelettrici, che hanno una gamma di movimento molto limitata ma controllata con precisione. Un tipico attuatore piezoelettrico genererà un movimento longitudinale quando viene applicata una forza elettrica all’unità di un albero o altro collegamento meccanico con un intervallo di spostamento compreso tra 4 e 17 micron (da 0.0002 a 0.0007 pollici). Questo tipo di sistema attuatore è spesso incorporato in un estensimetro noto anche come estensimetro, utilizzato per misurare livelli molto fini di contrazione ed espansione nei materiali e nelle superfici.
Esistono tre tipi generali di progetti di attuatori piezoelettrici o schemi di movimento che determinano la gamma unica di parti di attuatori piezoelettrici che costituiscono il movimento meccanico del dispositivo. Questi sono attuatori cilindrici, bimorfi e unimorfi o multistrato e ciascuno ha anche una designazione della modalità che dipende dal tipo di coefficiente piezoelettrico per lo stress meccanico indotto. Un attuatore multistrato a 33 modalità è progettato per generare movimento lungo il percorso del campo elettrico applicato, mentre un attuatore cilindrico a 31 modalità mostra un movimento perpendicolare alla forza elettrica. Un attuatore a 15 modalità utilizza la deformazione di taglio nel cristallo per la forza diagonale, ma non sono comuni come altri tipi di attuatori piezoelettrici, poiché la deformazione di taglio è una reazione cristallina più complessa che è difficile da controllare e per la quale produrre sistemi.
Lo scopo per cui viene utilizzato un attuatore piezoelettrico si basa solitamente sul fatto che può avere una risposta meccanica alla forza elettrica in un intervallo di tempo di frazioni di secondo, oltre a non generare significative interferenze elettromagnetiche nel suo funzionamento. Ciò include l’uso comune per i componenti nei laser sintonizzabili e vari sensori ottici adattivi, nonché il controllo a livello micro delle valvole in cui la portata del carburante è fondamentale per la quantità di spinta generata, come nei sistemi di iniezione del carburante e nei controlli dell’avionica. L’attuatore piezoelettrico ha anche molti usi nel campo della medicina dove è integrato in micropompe per procedure come dialisi e distributori automatici di farmaci o distributori di gocce. Le arene di ricerca dipendono anche dall’attuatore piezoelettrico, ad esempio dove è un componente essenziale del microscopio a forza atomica (AFM) nel campo delle nanotecnologie.
Altri campi di ricerca avanzati che utilizzano l’attuatore piezoelettrico includono lavorazioni meccaniche di precisione, controlli astronomici per telescopi, ricerca biotecnologica, nonché ingegneria dei semiconduttori e produzione di circuiti integrati. Alcuni di questi campi richiedono un attuatore piezoelettrico in grado di controllare intervalli di movimento fino al livello di 2 micron (0.0001 pollici) in un periodo di tempo inferiore a 0.001 secondi. L’attuatore piezoelettrico è un dispositivo ottimale anche per tali applicazioni perché ha diverse caratteristiche uniche tra cui un consumo energetico molto basso, non genera campi magnetici e può funzionare a temperature criogeniche. Probabilmente la caratteristica più utile del dispositivo, tuttavia, è che si tratta di un dispositivo a stato solido che non richiede ingranaggi o cuscinetti, in modo che possa essere utilizzato ripetutamente fino a miliardi di volte senza mostrare segni di degrado delle prestazioni.